بخشی از مقاله
چکیده
پدیده شکست ذرات خاک که در اثر تمرکز تنشهای بالا در محل تماس بین ذرات بوجود میآید میتواند تاثیر منفی در رفتار مقاومتی و مهندسی خاک بگذارد. این تاثیر از طریق تغییر در منحنی دانهبندی خاک بوده که اثرات ثانوی همچون کاهش زاویه اصطکاک خاک به علت کم شدن درگیری ذرات، کاهش قدرت آبگذری و ضریب نفوذپذیری خاک، افزایش فشار منفذی، افزایش نشست خاک و غیره را در خاک ایجاد مینماید.
در این مطالعه ابتدا روشهای مختلف ارزیابی و پیشبینی میزان شکست ذرات و عوامل موثر در آن مورد بررسی قرار گرفته و سپس نتایج آزمایشگاهی بدست آمده در مورد میزان شکست ذرات ارائه و با مقادیر پیشبینی شده مقایسه خواهند شد.
آزمایشات انجام شده از نوع آزمایشهای سهمحوره - CD - بوده که بر روی ماسه زایندهرود با دانهبندی بین الک۰۰۱# و ۰۴#، تنشهای همهجانبه ۰۰۱، ۰۰۲، ۰۰۶، و ۰۰۲۱ کیلو پاسکال، شرایط انتهائی نمونهها - ثابت یا متحرک - ، تراکم نسبی کم و زیاد انجام و تاثیر این پارامترها در میزان شکست بررسی و ارزیابی شده اند.
١- مقدمه
افزایش تنش موجود در خاک و متعاقبا افزایش تنش های متمرکز در محل تماس ذرات خاک با یکدیگر باعث شکستگی ذرات میشود. این پدیده از نقطه نظر مهندسی ﮊئوتکنیک یک عامل منفی در تغییرات رفتار خاک محسوب میشود. خرد شدن دانهها باعث افزایش نشست در خاک و سازه روی آن میشود. مضافا، قابلیت زهکشی خاک کاهش یافته و در نتیجه ممکن است فشار آب حفره ای در اثر بارگذاری افزایش و نهایتا پایداری خاک به مخاطره بیفتد.
مارسال در آزمایشهای برشی روی ماسه به این نتیجه رسید که مهمترین عامل مؤثر بر مقاومت برشی و تراکم پذیری خاکهای دانهای پدیده خرد شدن ذرات میباشد که در هنگام اعمال فشار همه جانبه و یا تنش انحرافی به وجود میآید. زوو ]۲[ با بررسی اثر شکست ذرات روی مقاومت برشی نمونههای ماسه ای و در نظر گرفتن انرﮊی لازم برای شکست ذرات، عوامل مهم و مؤثر روی مقاومت برشی ماسه را اصطکاک بین ذرات، تراکم نسبی نمونه، بافت ماسه، اندازه و شکل ذرات، و شکسته شدن ذرات در هنگام بارگذاری میداند. از طرفی شکست ذرات خود تابع عوامل فوق و همچنین میزان تنش موثر و مسیر بارگذاری، حضور یا عدم حضور آب، و دانهبندی ذرات می باشد
بعضی از محققین انبساط نمونه در هنگام برش و اصطکاک بین ذرات را مهمترین عوامل مؤثر روی مقاومت برشی و شکست ذرات را پدیده مهم ناشی از اتساع و انبساط نمونه در هنگام بارگذاری ذکر میکنند ]۷.[ هر چه مقدار انبساط نمونه در هنگام بارگذاری بیشتر باشد مقدار مقاومت نمونه بیشتر خواهد بود. از طرفی با توجه به مکانیسم انبساط، هرچه اندازه ذرات درشتر باشد مقدار اتساع و افزایش حجم نمونه به دلیل حرکت ذرات ماسه و سوار شدن آنها بر روی هم بیشتر است. این افزایش حجم در آزمایشهای زهکشی شده باعث مکش آب به داخل نمونه و در آزمایشهای زهکشی نشده باعث کاهش فشار آب میگردد. شکسته شدن ذرات باعث کاهش میزان انبساط نمونه و در نتیجه کاهش مقاومت برشی میگردد.
یوانگ ]۷[ تاثیر شکسته شدن ذرات بر مقاومت برشی را ناشی از دو پدیده میداند. ۱- کاهش انبساط نمونه در شرایط زهکشی شده و یا افزایش فشار آب حفره ای در آزمایشهای زهکشی نشده که باعث کاهش مقاومت برشی نمونه میشود. ۲- افزایش انرﮊی مورد نیاز ذرات جهت شکسته شدن در هنگام تغییر شکل برشی باعث افزایش مقاومت برشی میشود. به عبارتی مقداری از تنش اعمالی به نمونه صرف تامین انرﮊی برای شکستن ذرات میشود و لذا نمونه تنش بیشتری را میتواند تحمل کند. این دو پدیده در جهت مخالف هم بر مقاومت برشی خاک دانهای اثر میگذارند.
٢- تعیین مقدار شکست ذرات
روشهایی که مقدار شکست ذرات را تعیین میکنند عمدتا بر اساس استفاده از منحنی دانهبندی ذرات میباشند. بررسی و آنالیز منحنی دانهبندی مصالح قبل از بارگذاری و بعد از بارگذاری و مقایسه نتایج میزان شکست ذرات را مشخص مینماید.
لسلی ]۸[ در سال ۳۶۹۱ با انجام آزمایش روی ماسه و رسم منحنیهای دانهبندی مصالح قبل از آزمایش و بعد از بارگذاری، فاکتور شکست را مقدار درصد مصالح رد شده از الکی که مصالح اصلی قبل از آزمایش از آن عبور نمیکردهاند در نظر گرفت - شکل ۱ - . به عبارتی فاصله عمودی بین منحنی مصالح اولیه و منحنی دانهبندی مصالح بعد از بارگذاری در نقطه صفر درصد عبوری منحنی اولیه را به عنوان معیار شکست ذرات در نظر گرفته است. این محقق در سال ۵۷۹۱ ]۹[ معیار را تغییر داد و مقدار افزایش درصد عبوری از الکی که فقط ده درصد مصالح اولیه از آن عبور کرده بودند را به عنوان معیار شکست در نظر گرفت که در شکل مشاهده میشود.
مارسال ]۱[ فاکتور شکست مصالح را فاصله ماکزیمم عمودی بین دو منحنی دانهبندی قبل از انجام آزمایش و بعد از بارگذاری در نظر میگیرد.
لی و فرهومند ]۰۱[ هنگام مطالعه مصالح مورد استفاده در فیلتر یک سد خاکی، روش اندازه گیری شکست ذرات را ارائه نمودند. آنها یک سری آزمایش بارگذاری ایزوتروپیک روی ماسه انجام داده و با توجه به اینکه فاکتور D15 در طراحی فیلتر سدهای خاکی پارامتر مهمی میباشد معیار شکست را نسبت
D15 مصالح قبل از بارگذاری بهD15 مصالح اولیه معرفی کردند. حد پائینی این معیار برابر واحد و حد بالایی برای آن وجود ندارد. همانطور که در شکل ۱ دیده میشود این مقدار برابر فاصله افقی بین دو منحنی دانهبندی در درصد عبوری ۵۱ میباشد. انتخاب یک قطر خاص نمیتواند همیشه ملاک مناسب برای ارزیابی میزان شکست ذرات باشد و ممکن است دو نمونه بعد از انجام آزمایش در مقدار D15 با یکدیگر مشابه باشند اما بقیه الکهای استفاده شده در دانهبندی مقادیر متفاوتی را نشان دهند. بر اساس این معیار مقدار شکست ذرات یکسانی برای هر دو نمونه بدست می آید که دور از واقعیت میباشد.
از معایب دیگر این معیار حساسیت بالای آن به خطای اندازه گیری D15 میباشد. با توجه به اینکه D15 در مخرج کسر قرار دارد، خطای ناچیزی در اندازه گیری این عدد باعث خطای بزرگی در محاسبه فاکتور شکست میگردد. بنابراین این معیار برای نمونههائی که مقدار D15 خیلی کوچک باشد دقت لازم را ندارد. اشکال دیگر این معیار اینکه در حالتهائی که بیشتر از ۵۱ درصد مصالح بعد از آزمایش از الک شماره۰۰۲ عبور میکند برای پیدا کردن مقدار D15 باید از برون یابی خطی استفاده کرد که باعث ایجاد خطا میشود و یا مصالح زیر الک۰۰۲ را بوسیله آزمایش هیدرومتری دانهبندی کرد که مستلزم وقت و هزینه اضافی میباشد.
شکل ١: روشهای ارزیابی شکست ذرات بر روی منحنی دانهبندی
یکی از پارامترهایی که شکست ذرات روی آن بسیار اثر می گذارد نفوذپذیری خاک میباشد. با شکسته شدن ذرات در یک نمونه خاک دانهبندی و تخلخل نمونه تغییر و در نتیجه نفوذپذیری آن کاهش مییابد. هیزن ]مرجع ۳[ بر اساس رابطه تجربی خود برای نفوذپذیری خاک - k = cD102 - ، رابطه زیر را جهت تعیین مقدار شکست ذرات ارائه نموده است:
که B10 فاکتور شکست، D10f و D10i قطر مؤثر ذرات در حالت نهایی بعد از بارگذاری و قبل از بارگذاری میباشند. حد پائینی رابطه صفر - وقتی که هیچ یک شکستی در ذرات بوجود نمیآید - و حد بالایی آن واحد - حالتی که شکست ذرات بی نهایت است - میباشد.
این معیار نسبت به روش ارائه شده توسط لی و فرهومند این مزیت را دارد که مقدار D10f در صورت کسر میباشد و چنانچه خطائی در اندازه گیری این مقدار بوجود آید با تقسیم این خطا بر D10i ، مقدار آن کاهش مییابد. اما عیب این روش مشابه روشهای قبلی این است که معیار براساس یک قطر خاص تنظیم شده است و معایب گفته شده در مورد روشهای قبلی در این مورد نیز صادق میباشد. اما مقادیر محاسبه شده توسط این معیار بین صفر و یک بوده بنابراین پراکندگی مقادیر خیلی کمتر از مقادیر محاسبه شده توسط روش لی و فرهومند و یا روش لسلی میباشد
